Кузнечно-прессовое и термическое оборудование

Выполняемые работы. С помощью кузнечно-прессового оборудования получают заготовки в виде поковок или штамповок, а также правят и упрочняют поверхности. Соответственно, работы, выполняемые на оборудовании этого типа, делятся на ковку, объемную или листовую штамповку и чеканку. Перед ковкой и объемной штамповкой заготовок необходим их нагрев.

Термическая обработка заготовок предполагает их нагрев, выдержку (в ряде случаев с насыщением поверхностного слоя активными средами) и охлаждение по установленному графику.

Кузнечные молоты, прессы и инструмент. Для ковки применяют различают ковочные молоты и прессы.

По виду привода кузнечные молоты делятся на пневматические, паровоздушные и механические. По принципу действия молоты бывают одинарного и двойного действия. У молотов одинарного действия подвижная часть поднимается паром, сжатым воздухом или другим энергоносителем, при этом потенциальная энергия положения подвижной части преобразуется в энергия удара при свободном падении. Такие молоты имеют ограниченное применение. У молотов двойного действия энергия удара создается за счет свободного падения подвижной части и дополнительного воздействия какого-либо энергоносителя.

Наиболее широко применяют пневматические и паровоздушные молоты. Масса падающих частей пневматических молотов составляет от 50 до 1000 кг, паровоздушных – от 0,5 до 8,0 т. Недостатки таких молотов обусловлены низким КПД (составляет иногда 3–4 %) и большими вибрационными нагрузками. Последние разрушают обычные здания и отрицательно влияют на точность прецизионных станков, расположенных рядом.

Конструкции кузнечных молотов разнообразны, но все они основаны на общем принципе, суть которого заключается в том, что энергия, необходимая для деформирования металла, передается при помощи удара.

Молот любой конструкции имеет следующие основные части (рис. 2.50):

– падающую часть, к которой относят бабу, шток, поршень и верхний рабочий боек;

– шабот – металлический стул или крупная стальная отливка, к которой крепится нижний боек, который служит опорой для обрабатываемой заготовки. Масса шабота в 10–15 раз больше массы падающей части;

– станину с фундаментной плитой. К станине крепят рабочий цилиндр, служащий для силового воздействия на падающую часть, и механизм управления;

– привод, состоящий из электродвигателя с редуктором, кривошипно-шатунного механизма и компрессорного цилиндра;

– фундамент, служащий опорой для станины и шабота, под который укладывают для смягчения удара дубовые брусья. Фундамент ковочного пресса состоит, в свою очередь, из трех частей: двух боковых пирсов, на которые опирается станина, и средней части, на которую опирается шабот.

Инструмент для ручной ковки делят на опорный, ударный (рис. 2.51), поддерживающий и измерительный.

На опорном инструменте (наковальне или шпераке) выполняются операции ручной ковки: протяжка, осадка, гибка, пробивка, прошивка, разрубка, кузнечная сварка и правка.

Наковальни изготавливают из стали 45Л массой 70–350 кг. Верхняя плоская часть называется лицом. Его твердость составляет 40–45 HRC. Конический отросток наковальни – рог – служит для гибки пустотелых поковок. В зависимости от количества отростков наковальни бывают безрогие, одно- и двурогие.

Шперак – маленькая наковальня с двумя рогами массой до 50 кг служит для ковки мелких поковок.

Ударным инструментом являются молотки и кувалды. Молотком пользуется кузнец для нанесения ударов и указания молотобойцу места нанесения удара кувалдой.

Масса молотка 0,5–2,0 кг, он изготовлен из стали У7 или У8. Молоток имеет два бойка. Один из них круглый, квадратный или восьмигранный, имеет гладкую ударную поверхность с заваленными гранями. Другой боек может быть шарообразный, заостренный с округлым ребром или тупой. Боек молотка подвергают закалке с последующим отпуском.

Кувалды – основной инструмент массой 2–16 кг для нанесения ударов по нагретой заготовке. Они также имеют два бойка и подразделяются на тупоносые и остроносые. Для закрепления рукоятки в кувалде делают овальное насадное отверстие, которое расширяется от середины к краям. Материал кувалд – стали 40, 45, 50 и У7. После термической обработки твердость рабочего слоя толщиной до 30 мм составляет 48–52 HRC.

Кузнечные зубила предназначены для горячей и холодной рубки металла. Первые затачивают на угол не менее 60 ^о, вторые – на угол не более 50 ^о. Зубила изготавливают из стали У7 или 6ХС. Лезвие зубил может быть прямым, полукруглым или фасонным. Твердость рубящей части инструмента на длине 30 мм составляет 50–56 HRC, а ударяемой части на высоту 20 мм – 30–40 HRC.

Подсечки изготавливают из стали У7. Они являются подкладными зубилами и вставляются квадратным хвостовиком в соответствующее отверстие наковальни. Лезвие подсечки твердостью 48–52 HRC может быть прямое или фасонное.

Пробойники (бородки) из стали 40, 45 или У7 применяют для пробивки круглых, квадратных, прямоугольных и других отверстий.

Обжимки служат для подкатки и отделки боковых поверхностей (цилиндрических, плоских и др.). Обжимки куют из стали 40, 45, 50, 40Х или У7 и после обработки резанием закаливают и отпускают на твердость 48–52 HRC по рабочей части и 30–40 HRC – по ударяемой.

Подбойки используют для ускорения протяжки и выделки желобов. Они могут иметь разнообразную форму рабочих поверхностей: плоскую, полукруглую и др. Подбойки делают из стали 40Х, 50Г или У7.

Гладилки предназначены для сглаживания неровностей и окончательной отделки плоских поверхностей поковок. В головке, расположенной над рабочей поверхностью, имеется отверстие для деревянной ручки. Гладилки изготавливают из стали 40, 45 или У7.

Деревянные ручки инструментов для ручной ковки изготавливают из клена, кизила, бука, рябины или молодого дуба. Запрещается их изготавливать из крупнослойных пород дерева, в том числе из ели и сосны. Конец ручки в отверстии инструмента расклинивают стальными «заершенными» клиньями. Длина клиньев не должна превышать ⅔ глубины насадного отверстия инструмента.

Гвоздильни – металлические пластины, кованные из стали 45 или У7. Они имеют отверстия для высадки головок болтов, заклепок, гвоздей и др.

Кузнечная форма – литая плита из стали 35Л или 40Л массой до 50 кг со сквозными отверстиями и фасонными вырезами на боковых поверхностях. Она предназначена для отделки поковок, пробивки отверстий и профильно-гибочных работ.

Поддерживающий инструмент – это клещи, манипулятор-кантователь и устройство для подвески.

Кузнечные измерительные инструменты – кронциркули, нутромеры, кругломеры, угломеры и шаблоны.

Ковку на прессах выполняют в открытых и закрытых штампах. В гидравлических ковочных прессах (рис. 2.52) энергию подвижной части передают при помощи жидкости под высоким давлением. Возникающие в процессе работы молота силы замыкаются в станине и на фундамент не передаются. Недостатки гидравлических прессов обусловлены их тихоходностью и сложностью конструкции. В кузнечных цехах машиностроительных заводов распространены ковочные гидравлические прессы с усилием 20000–30000 кН.

Гидравлические, кривошипные и фрикционные прессы. Гидравлические прессы служат для сборки (запрессовывания), прошивки, правки, гибки, развальцовки, просечки и других работ. Прессы могут быть одно- и двухстоечными. Главный параметр прессов – номинальное усилие. В производстве широко применяют прессы с усилием 40–2500 кН (ПБ6316А – 40 кН, П6326 – 400 кН, П6328 – 630 кН, ПБ6330 – 1000 кН, П6332Б – 1600 кН, ПБ6334А – 2500 кН).

Сварная станина одностоечного пресса имеет С-образную форму (рис. 2.53). В верхней части станины имеется плита с отверстиями для установки цилиндра, на нижней консольной части крепится стол или запрессовочная плита.

Приводной цилиндр установлен в верхней части станины. Шток цилиндра приводится от насосов поршневого (высокого давления) или шестеренчатого (низкого давления). Цилиндр и шток стальные, поршень и втулка чугунные. Механизм управления прессом состоит из педали, рукоятки, системы рычагов с пружинами и устройством для автоматического останова. Ход штока вверх и вниз ограничен регулировкой подвижных кулачков.

Запрессовочная оснастка состоит из подушки, прикрепленной к штоку цилиндра, и чугунной плиты с проемом для установки деталей. Плита крепится на нижней части станины. По специальному заказу прессы поставляются с правильным столом.

Пресс управляется рукояткой и педалью, связанными между собой.

Кривошипные механические прессы (рис. 2.54) служат для листовой штамповки. Основные работы – вырубка, пробивки и гибка. Применяют пресса однокривошипные открытые простого действия усилием 100, 160, 250, 400, и 630 кН.

Фрикционные прессы (рис. 2.55) имеют в приводе фрикционную передачу, которая позволяет остановку ползуна в различных нижних мертвых точках, что исключает заклинивание пресса при использовании закрытых штампов. Прессы предназначены для холодной и горячей объемной штамповки, чеканки и других целей. Из-за низких производительности и КПД фрикционные прессы имеют ограниченное применение.

Оборудование для ремонта кузовов включает измерительные системы (механические и электронные) и стапели. С помощью измерительных систем (рис. 2.56) устанавливают факт изменения тестовых размеров кузова (например, при аварии автомобиля), установленных заводом-изготовителем. Стапели (рамные, платформенные и рельсовые) служат для закрепления кузова и приложения разнонаправленных сил для его правки. Рамный стапель состоит из эстакады с трапом и рельсовыми опорами, к которым с помощью специальных захватов крепится автомобиль (рис. 2.57). Платформенный стапель содержит въездную подъемную платформу (рис. 2.58). Рельсовый стапель состоит из вмонтированных в пол рельсов, стоек и креплений (рис. 2.59). Деформированные участки кузова вытягивают пневмогидравлическим приводом с цепями.

Особенности нагрева заготовок. Заготовки нагревают перед обработкой давлением и при термической обработке (отжиге, закалке, отпуске).

Рациональный режим нагрева заготовок обеспечивает максимально возможную скорость нагрева материала без трещин из-за термических напряжений. Последние возникают в связи с тем, что внешние слои заготовки прогреваются раньше внутренних и расширяются больше. При этом внутренние слои сдерживают расширение внешних слоев. В связи с этим в сильно нагретых слоях возникают сжимающие напряжения, а в малопрогретых слоях – растягивающие напряжения. Если при недостаточной пластичности металла растягивающие напряжения достигают предела прочности металла, то последний начнет разрушаться. Если металл обладает высокой пластичностью, то термические напряжения приведут к пластическому деформированию металла и разрушения не произойдет.

С повышением температуры нагрева возрастает пластичность металла, а опасность появления трещин исчезает до того, как металл нагреется до температуры структурных превращений. Другим не менее важным условием является то, чтобы до начала ковки металл был равномерно прогрет по всему сечению слитка или заготовки.

Заготовки диаметром или стороной квадрата менее 100 мм из конструкционных или низколегированных сталей загружают в горячие печи, рабочее пространство которых имеет температуру на 100–150 °С более высокую, чем требуемая конечная температура нагрева металла. Скорость нагрева их не ограничивают. Заготовки из высоколегированных, низкопластичных сталей сначала нагревают медленно до температуры 650–850 °С, а затем быстро до ковочной температуры. Нагрев до температуры ковки уменьшает в 10–15 раз сопротивление деформированию по сравнению с процессом в холодном состоянии. Нагрев заготовок из углеродистых сталей до 350 °С не увеличивает, а снижает пластичность, а нагрев свыше 700 °С приводит к появлению окалины. Поэтому нагрев таких заготовок целесообразен в указанном отрезке температуры.

Термическое оборудование. Кузнечный горн – простейшее нагревательное устройство, в котором заготовка непосредственно соприкасается с продуктами горения топлива (рис. 2.60). Его применяют при нагреве небольших заготовок при ручной ковке. Горны бывают переносными и стационарными. Первые могут применяться в полевых условиях. По способу подачи воздуха, необходимого для горения топлива, различают горны с боковым соплом и с центральной фурмой, а по количеству очагов – одно- и двухогневые. Очаг горения может быть открытым и или закрытым.

Горны имеют сварную или литую станину. В верхней части станины имеется выемка, выложенная огнеупорным кирпичом. На дне выемки установлена фурма, через которую вентилятором подают воздух под давлением 150–2000 мм вод. ст. С фронтальной стороны стол имеет бачок с водой для охлаждения инструмента. Дымовые газы удаляются из горна через зонт и вытяжную трубу.

В качестве топлива для горнов используют коксующиеся сорта углей, кокс и редко древесный уголь. При производительности открытого горна 80–120 кг нагретого металла в час расход топлива составляет 25–50 кг/ч. Кпд такого горна составляет 2–5 %. Стационарные закрытые горны имеют более высокую производительность и большую экономичность.

Преимущества горнов – простота конструкции и эксплуатации. Недостатками являются низкая производительность, малый кпд, неравномерный нагрев заготовок, повышенный угар и насыщение поверхностных слоев металла серой из топлива.

Кузнечно-прессовые и ремонтные цеха, в которых выполняются операции ковки, штамповки при средне- и мелкосерийном типе производства, оснащают газовыми кузнечными печами (рис. 2.61).

Оборудование для термической обработки делят на основное и вспомогательное.

К основному оборудованию относят нагревательные печи, печи-ванны, закалочные баки, с помощью которых выполняют основные операции термической обработки. Это оборудование различают по:

– широте выполняемых функций: универсальное и специальное;

– значению температуры: низко-, средне- и высокотемпературное;

– тепловому источнику: твердотопливное, мазутное, газовое, электрическое, индукционное;

– конструктивным признакам: камерное, шахтное, щелевое, очковое, с выдвижным подом, элеваторное, со съемным сводом, толкательное, конвейерное и др.;

– характеру загрузки и выгрузки заготовок, периодичности и непрерывности загрузки: с периодической и непрерывной загрузкой. В печах первого вида заготовки загружаются и выгружаются через одно окно, а в процессе обработки остаются неподвижными. В каждый момент времени температура во всей зоне нагрева заготовок одинакова. В печах второго вида, называемых методическими, заготовки во время обработки перемещаются от окна загрузки к окну выдачи. Температура рабочего пространства в таких печах повышается от места загрузки заготовок к месту их выдачи;

– способу использования тепла отходящих газов для предварительного подогрева воздуха, поступающего в печь: рекуперативные и регенеративные.

Условное обозначение термических печей содержит буквы и числа. Буквы определяют вид нагрева, тип печи, среду и агрегатность (таблица 2.23), а цифры – активные размеры рабочего пространства (ширину, длину, высоту или диаметр и высоту) в дециметрах в числителе и максимальную рабочую температуру в сотнях градусов Цельсия в знаменателе.

Например, обозначение СНЗА-5,0.10.3,2/10 означает – агрегат сопротивления (электрический), камерный, с защитной атмосферой, размерами печного пространства 500´1000´320 мм и рабочей температурой до 1000 °С.

Таблица 2.23

Буквенное обозначение печей для термической обработки

Для отпуска, отжига и закалки, например, используют электропечи СТО, СТЗ, СКЗА, универсальные камерные электропечи СНО, СНЗ, шахтные электропечи СШО, СШЗ, вакуумные СШВ, электрованны СВГ, СВС. Для химико-термической обработки широко используют шахтные безмуфельные электропечи, для газовой цементации – СШЦ, для газового азотирования – США. Для индукционного нагрева применяют специальные генераторы и установки.

Внешний вид нагревательных печей с различными конструктивными признаками приведен на рисунках 2.62–2.64.

К вспомогательному оборудованию относят правильные прессы, машины для очистки деталей и др.

Термическое оборудование должно обеспечить следующие требования:

– обеспечить экономичный нагрев до заданной температуры за минимальное время;

– при заданной длительности нагрева угар и обезуглероживание не должны превышать допустимых норм;

– процессы, связанные с нагревом и обслуживанием печей, должны быть максимально механизированы или автоматизированы;

– работа печей не должна оказывать вредного воздействия на человека и окружающую среду.

Для контроля работы термического оборудования применяют различные приборы. Температуру рабочего пространства и нагреваемого металла измеряют пирометрами, которые по принципу действия могут быть оптическими, термоэлектрическими, радиационными и фотоэлектрическими. Давление выше атмосферного измеряют манометрами, а ниже атмосферного – вакуумметрами или тягомерами. Расход воздуха и топлива измеряют расходомерами. Качественный и количественный расход газов и продуктов сгорания топлива определяют газоанализаторами.